FEC技術(shù)對(duì)線路保護(hù)通道的影響分析

劉 娜，冷 淼

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179；2.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167)

近年來(lái)隨著國(guó)家電網(wǎng)有限公司對(duì)“新基建”工程的投入，出現(xiàn)了越來(lái)越多跨省際、超長(zhǎng)距離的光纖通信電路。這些超長(zhǎng)距離無(wú)中繼的通信電路，由于傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸信號(hào)衰減現(xiàn)象比較嚴(yán)重。而應(yīng)用多種光放器件影響傳輸通道OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)值[1]，影響信號(hào)正常傳輸。FEC(Forward Error Correction,前向糾錯(cuò))技術(shù)一方面為傳輸通道提供功率增益[2]；另一方面改善傳輸通道OSNR，延長(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離。

1 FEC技術(shù)概述

在超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中，為了提高信號(hào)的傳輸距離，可以采用2種措施：①提高信號(hào)的發(fā)送功率和接收靈敏度，增大信號(hào)的功率增益值；②采用差錯(cuò)控制減小信號(hào)在傳輸通道中發(fā)生的形變，提高傳輸通道OSNR。對(duì)于前一種措施常常采用BA(Booster Amplifie,功率放大器)、PA(Pre Amplifier，前置放大器 )、RFA(Raman Fiber Amplifier，拉曼光纖放大器)等技術(shù)解決[3]；而后一種措施主要通過(guò)FEC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1 FEC技術(shù)特點(diǎn)

FEC技術(shù)是通過(guò)發(fā)送端發(fā)送具有糾錯(cuò)能力的編碼，接收端根據(jù)編碼規(guī)律發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤編碼并自動(dòng)糾正的過(guò)程[4]。應(yīng)用FEC技術(shù)可以使傳輸通道BER(Bit Error Rate，誤碼率)大大降低，從而提高傳輸通道OSNR;通過(guò)編碼糾錯(cuò)過(guò)程，提高系統(tǒng)增益值，增大信號(hào)的傳輸距離。FEC技術(shù)不需要反饋信道，譯碼延時(shí)固定，適用于實(shí)時(shí)性的傳輸系統(tǒng)。

FEC技術(shù)分為帶內(nèi)編碼和帶外編碼2種。帶內(nèi)編碼就是利用標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)中專用或空閑的碼元開(kāi)銷字節(jié)作為糾錯(cuò)編碼字節(jié)進(jìn)行編碼，這種編碼方式由于不增加其他額外帶寬，使校驗(yàn)碼位數(shù)有限，限制FEC技術(shù)的糾錯(cuò)能力；帶外編碼需要增加一部分系統(tǒng)的額外帶寬，將前向糾錯(cuò)冗余字節(jié)裝載到標(biāo)準(zhǔn)幀外，具有較強(qiáng)的靈活性，增強(qiáng)了FEC技術(shù)的糾錯(cuò)能力，在實(shí)際工程中廣泛被應(yīng)用。

1.2 FEC技術(shù)處理信號(hào)的過(guò)程

信號(hào)在光纖傳輸系統(tǒng)中傳輸過(guò)程如圖1所示。信號(hào)首先經(jīng)過(guò)發(fā)送端處理為適合線路傳輸?shù)?550 nm光信號(hào)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)FEC編碼器在電脈沖信號(hào)上增加校驗(yàn)位；然后經(jīng)過(guò)電/光轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)[5]，經(jīng)過(guò)BA提高信號(hào)的發(fā)送功率，增加在光纖上傳輸?shù)木嚯x。在接收端，信號(hào)首先經(jīng)過(guò)PA增加接收端靈敏度，從而提高系統(tǒng)增益；然后經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)過(guò)FEC解碼器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和糾錯(cuò)；最后經(jīng)過(guò)電/光轉(zhuǎn)換為光信號(hào)還原客戶信號(hào)。

圖1 FEC技術(shù)處理信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程

1.3 FEC技術(shù)貢獻(xiàn)指標(biāo)

工程中采用普通型FEC技術(shù)對(duì)整個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生貢獻(xiàn)為8 dBm，采用增強(qiáng)型FEC技術(shù)對(duì)整個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生貢獻(xiàn)為10 dBm。

單通道光纖傳輸系統(tǒng)接收端OSNR在滿足系統(tǒng)誤碼率BER≤10-12的情況下，不采用FEC技術(shù)時(shí)，OSNR>20 dB;采用FEC技術(shù)時(shí)，OSNR>12 dB。

2 線路保護(hù)通道要求

2.1 對(duì)傳輸時(shí)延的要求

光纖通道具有不受電磁干擾及電線故障影響等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為線路保護(hù)通道的首選方式。對(duì)于220 kV及以上電壓等級(jí)的線路保護(hù)，一般采用2套線路保護(hù)裝置，每套線路保護(hù)采用2個(gè)不同路由的光纖通道。光纖通道的傳輸時(shí)間直接影響線路保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間，根據(jù)線路保護(hù)的工作方式不同，分為光纖差動(dòng)保護(hù)和允許式保護(hù)2種。

采用光纖差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，直達(dá)通道的傳輸時(shí)間要求不大于5 ms，迂回通道的傳輸時(shí)間要求不大于12 ms；采用允許式保護(hù)時(shí)，直達(dá)通道的傳輸時(shí)間要求不大于5 ms，迂回通道的傳輸時(shí)間要求不大于15 ms[6]。

2.2 影響時(shí)延的因素

線路保護(hù)通道按照傳輸?shù)奶攸c(diǎn)可以分為光纖專用通道和復(fù)用光纖通道2種。光纖專用通道不需要光電轉(zhuǎn)換接口設(shè)備，線路保護(hù)裝置直接與光纖相連。光纖專用通道設(shè)備連接如圖2所示。

圖2 光纖專用通道設(shè)備連接

由于專用光纖通道線路保護(hù)裝置直接與光纖進(jìn)行連接，通道時(shí)延主要是光信號(hào)在光纖中的傳輸時(shí)間。其通道時(shí)延為

(1)

式中：Td為光纖直達(dá)通道時(shí)延；n為光纖的折射率(1.48)；L為光纖線路的長(zhǎng)度，km；C為光信號(hào)傳播速度(3×105km/s)。

由式(1)可以看出，每km光纖線路延時(shí)為4.93 μs，在工程應(yīng)用中一般按5 μs估算[7]。由于線路保護(hù)裝置的光模塊受到傳輸距離限制，目前各個(gè)廠家的光模塊支持的最大傳輸距離不超過(guò)100 km[8]。專用光纖通道的最大傳輸時(shí)延為Td=0.5 ms。復(fù)用光纖通道的傳輸速率為2 Mbit/s或64 kbit/s，隨著線路保護(hù)裝置不斷改進(jìn)，目前復(fù)用光纖通道的速率主要考慮2 Mbit/s的方式。根據(jù)此種接入形式，信號(hào)在傳輸過(guò)程中需要完成光-電-光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，即線路保護(hù)裝置發(fā)出光信號(hào)經(jīng)過(guò)通信接口柜轉(zhuǎn)換為2M電信號(hào)，2M電信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸裝置轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸。接收端信號(hào)經(jīng)過(guò)光傳輸裝置進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換為2M電信號(hào)，2M電信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送至線路保護(hù)裝置。復(fù)用光纖通道設(shè)備連接如圖3所示。

圖3 復(fù)用光纖通道設(shè)備連接

該種傳輸方式下通道時(shí)延由3部分構(gòu)成：信號(hào)在光纖中的傳輸時(shí)間；信號(hào)通過(guò)光傳輸裝置之間的時(shí)間；信號(hào)在光傳輸裝置中進(jìn)行上下業(yè)務(wù)的時(shí)間。通道時(shí)延為T=Td+TSDH+Te=5L+50N+60×2。 其中：Td為信號(hào)在光纖線路中的傳輸時(shí)延；TSDH為信號(hào)在SDH群路中的傳輸時(shí)延；Te為信號(hào)在2M電路中的傳輸時(shí)延；N為電路經(jīng)過(guò)SDH網(wǎng)元的數(shù)量；L為光纖線路的長(zhǎng)度，km。

信號(hào)在每套SDH群路中的時(shí)延為50 μs，在2M電路中每臺(tái)裝置傳輸時(shí)延為60 μs[9]。由于光傳輸裝置各個(gè)廠家參數(shù)不一致，根據(jù)《電力系統(tǒng)同步數(shù)字系列(SDH)光纜通信工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》相關(guān)內(nèi)容，上述參數(shù)為保守值。

2.3 FEC技術(shù)對(duì)線路保護(hù)通道的時(shí)延

由于FEC技術(shù)在傳輸過(guò)程中采用光-電-光轉(zhuǎn)換技術(shù)，增加了對(duì)信號(hào)的編碼和解碼的時(shí)間，使信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生時(shí)延。所以信號(hào)經(jīng)過(guò)FEC裝置的時(shí)延為T=Td+TSDH+Te=5L+50N+60×2+200M。其中：M為光傳輸電路FEC裝置的數(shù)量。根據(jù)FEC裝置廠家提供的資料，信號(hào)經(jīng)過(guò)FEC裝置的時(shí)延一般不超過(guò)0.2 ms[10]，取保守值。時(shí)延大于經(jīng)過(guò)SDH設(shè)備和上下業(yè)務(wù)的時(shí)延。

3 時(shí)延計(jì)算

某地區(qū)有500 kV電站A、B、C、D、E、F、G，計(jì)算變電站A、B之間的線路保護(hù)通道時(shí)延。

變電站A、B、C、D、E、F、G之間均架設(shè)OPGW光纜，纖芯類型為G.652單模光纖；7座變電站組成SDH 2.5G光環(huán)網(wǎng)。光纖電路建設(shè)方案如圖4所示。

圖4 光纖電路建設(shè)方案

變電站A至變電站B的線路保護(hù)通道采用雙通道配置，由于直達(dá)路由超過(guò)100 km，2條通道均采用復(fù)用光纖通道，速率為2 Mbit/s。通道的組織：通道一為變電站A-B直達(dá)光路；通道二為變電站A-G-F-E-D-C-B-A迂回光路。

a.在不考慮FEC技術(shù)的情況下，通道時(shí)延計(jì)算：直達(dá)通道時(shí)延為T=1.41 ms；迂回通道時(shí)延為T=6.35 ms。

b.在考慮FEC技術(shù)的情況下，通道時(shí)延計(jì)算：直達(dá)通道延時(shí)為T=1.91 ms；迂回通道時(shí)延為T=7.25 ms。

該工程實(shí)際投產(chǎn)后，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量通道時(shí)延與理論計(jì)算值基本吻合。A站至B站的直達(dá)通道時(shí)延為1.87 ms，A站至B站的迂回通道時(shí)延為7.69 ms。

由上述實(shí)例可以得出,對(duì)于復(fù)用光纖通道，直達(dá)通道中繼距離在400 km之內(nèi)時(shí)，考慮FEC技術(shù)和不考慮FEC技術(shù)時(shí)通道時(shí)延相差約0.5 ms；迂回通道中繼距離在1500 km之內(nèi)時(shí)(大多數(shù)中繼段都在300 km以內(nèi)，通道節(jié)點(diǎn)數(shù)量不超過(guò)5個(gè))，考慮FEC技術(shù)和不考慮FEC技術(shù)時(shí)通道時(shí)延相差約1 ms。根據(jù)線路保護(hù)通道對(duì)光纖時(shí)延要求，通道時(shí)延都在ms級(jí)別，因此采用FEC技術(shù)對(duì)線路保護(hù)通道時(shí)延有一定影響。對(duì)于光纖保護(hù)的迂回通道，當(dāng)采用FEC技術(shù)數(shù)量M超過(guò)10個(gè)及以上時(shí)(通道5個(gè)及以上節(jié)點(diǎn)均采用FEC技術(shù))，保護(hù)通道時(shí)延可能不滿足12 ms時(shí)延要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

220 kV及以上電壓等級(jí)的線路保護(hù)通道主要以光纖差動(dòng)保護(hù)方式為主。當(dāng)光纖保護(hù)通道為復(fù)用2M通道經(jīng)過(guò)多點(diǎn)迂回時(shí)，除了考慮光纖線路的時(shí)延、群路與群路之間的時(shí)延以及群路與支路之間的時(shí)延以外，如果光纖線路采用FEC技術(shù)，在計(jì)算2M迂回通道時(shí)延的過(guò)程中，還應(yīng)該根據(jù)FEC裝置配置的數(shù)量綜合考慮對(duì)光纖線路保護(hù)通道的時(shí)延。